脫硫石膏改良鹽堿土對水稻葉綠素熒光特性的影響

胡 慧 馬帥國 田 蕾 呂建東 王 彬 王 娜 普正菲 董 艷

(寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021)

隨著全球暖化趨勢的加劇,土壤鹽堿化問題日益凸顯[1]。我國土壤鹽堿化形勢十分嚴峻,鹽堿土發生面積約為 9.91×107hm2,占世界鹽堿地總面積的10.4%,占我國可利用土地面積的13.4%,已成為高標準農田建設的顯著障礙因子,嚴重影響了農業生產效率[2]。寧夏回族自治區(以下簡稱“寧夏”)位于我國西北地區東部,地處中溫帶半干旱、干旱區,鹽堿荒地面積 5.57×104hm2[3]；在引黃灌區,鹽堿化耕地為1.48×105hm2,占耕地總面積的33.56%,重鹽堿化耕地面積表現出不斷增大的趨勢,尤其是銀北地區,急需改造治理。

諸多學者研究表明,利用脫硫石膏改良鹽堿土,成本低廉,效果顯著,是當前改良鹽堿土最受歡迎的途徑之一[4-7]。施用適量的脫硫石膏可以有效降低鹽堿土壤的pH值,促進玉米株高、根長、單株根鮮重等的增長[4],還能顯著增加小麥產量[5]。黃菊瑩等[6]研究表明,脫硫石膏與改良劑配合施用可顯著提高鹽堿地土壤養分含量,提高水稻成活率、株高和產量；田蕾等[7]研究發現,施用脫硫石膏和改良劑能顯著增強水稻的秧苗素質,降低質膜透性,改善根系發育。

光合作用是植物重要的生命活動,為其產量的形成提供了主要的物質基礎。較高的光合效率有利于作物產量的提高,葉綠素熒光參數可以有效反映植物光合系統的效率。葉綠素熒光誘導動力學分析可以有效反映植物PSⅡ原初光化學反應及光合機制的結構與狀態等,是檢測植物響應環境脅迫的常用方法,目前已廣泛應用于樹木[8-9]、番茄[10]、小麥[11]、牧草[12]等植物遭受鹽、干旱等非生物脅迫的檢測。通過測定葉片葉綠素熒光參數,既可以反映作物的抗逆特性、遭受鹽害的程度,也可以推測其光合效率的高低。鄭州元等[13]利用葉綠素熒光參數評價了外源H2S對番茄幼苗鹽害的緩解效果,發現番茄幼苗葉片的光合色素含量和光合電子傳遞效率得到了顯著提高,葉片PSⅡ的傷害程度大幅度下降,有效緩解了鹽脅迫的損傷；趙瀅等[14]研究外源NO對山葡萄扦插苗耐鹽性的影響,也得到了類似的結果。然而,改良鹽堿土條件下水稻葉片葉綠素熒光特性的變化規律尚不十分明確,利用葉綠素熒光參數綜合評價鹽堿地改良效果的研究也相對較少。因此,本研究以水稻品種吉特605為試驗材料,設計4種脫硫石膏改良鹽堿土技術集成模式,測定各生育時期不同處理水稻葉片的葉綠素熒光參數和葉綠素含量等,并利用主成分分析結合隸屬函數和權重對不同技術集成模式進行綜合評價,旨在篩選最優改良集成模式,闡明脫硫石膏改良鹽堿土條件下水稻葉片葉綠素熒光特性的變化規律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為吉特605,由寧夏農墾前進農場提供；脫硫石膏來自寧夏馬蓮臺電廠,是燃煤電廠煙氣脫硫產生的固體廢棄物,主要成分為CaSO4·2H2O；鹽堿地改良劑由寧夏大學環境工程研究院自主研發,主要成分為糠醛渣、醋糟等；有機肥采用羊糞。

1.2 試驗方法

試驗在寧夏石嘴山市平羅縣西大灘鹽堿地改良示范基地進行。該基地位于賀蘭山東麓洪積扇邊緣,平均海拔1 100 m,降水主要集中在每年7-9月,年平均降水量173 mm,僅為年平均蒸發量的1/10；年平均氣溫8.5℃,相對濕度56%；全年無霜期150 d,年平均日照時數2 800～3 200 h[7]。未進行鹽堿土改良前,試驗田0～60 cm土壤pH值平均為9.39,全鹽量平均為3.44%。

試驗采取隨機區組排列設計,設置5個處理:A為對照(CK),不施任何改良物質；B為脫硫石膏22.5 t·hm-2；C 為脫硫石膏 22.5 t·hm-2+改良劑 7.5 t·hm-2；D 為脫硫石膏 22.5 t·hm-2+改良劑 7.5 t·hm-2+有機肥30.0 t·hm-2；E 為脫硫石膏22.5 t·hm-2+改良劑 7.5 t·hm-2+有機肥 30.0 t·hm-2+黃沙 30.0 t·hm-2。設5次重復,共25個小區,小區面積 45 m2(9 m×5 m)。統一用IPJ-5.0SK激光平地儀(寧夏智源行業裝備有限公司)平地后在小區之間打埂,高30 cm,寬50 cm,并用地膜將小區之間隔開,然后根據不同技術集成模式的要求施入相應的脫硫石膏、改良劑、有機肥和黃沙,并進行灌水洗鹽。2013年5月15日采用水直播的方法播種,播種量為375 kg·hm-2,其他田間管理參照王靜等[15]的方法。2014年5月14日播種,各處理不再施用改良物質,灌排水、施肥等其他田間管理同2013年。

1.3 測定項目與方法

分別在水稻出苗期、分蘗期、孕穗期和灌漿期對各小區0～10 cm土壤進行電導率(electrical conductivity,EC)和pH值的監測,測定水稻葉片的葉綠素熒光參數、葉綠素相對含量(SPAD)和葉片葉綠素含量(leaf chlorophyll content,LCC)。其中,出苗期、分蘗期和孕穗期測定主莖的倒2葉,灌漿期測定劍葉,每小區隨機選取3株進行測定。參照田蕾等[7]的方法測定土壤EC、pH值和SPAD；參照趙瀅等[14]的方法測定水稻葉片的葉綠素a、b含量,二者求和計算葉片LCC；參照謝?；鄣萚16]方法,采用OS5p調制葉綠素熒光儀(OPTI-sciences公司,美國)測定初始熒光產量(original fluorescence,Fo)、最大熒光產量(maximal fluorescence,Fm)、實際光化學量子產量(yeild,Y)、表觀光合電子傳遞速率(photosynthetic electron transfer rate,ETR)、最大量子產量(maximum quantum yield,Fv/m)、光化學淬滅系數(photochemical quenching coefficient,qP)和非光化學熒光淬滅系數(non-photochemical quenching coefficient,NPQ)等葉綠素熒光參數。

1.4 數據分析

利用Microsoft office Excel 2010整理試驗數據,構建葉綠素熒光動力學曲線。利用SPSS 19.0軟件進行統計分析,采用單因素方差分析和最小顯著差異法(least significant difference,LSD)進行處理間的差異顯著性分析；結合主成分分析,利用隸屬函數和標準差系數賦予權重法開展各技術集成模式改良效果的綜合評價,相關指標計算方法參照文獻[17]。

1.4.1 葉綠素熒光參數各綜合指標的隸屬函數值

按照公式計算隸屬函數值:

式中,Xj表示第j個綜合指標；Xmin、Xmax為所有葉綠素熒光參數中某一指標的最小值和最大值。

1.4.2 各綜合指標的權重

式中,wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重；Pj代表經主成分分析所得到的第j個綜合指標的貢獻率。

1.4.3 技術集成模式的綜合評價

式中,D值表示不同技術集成模式下由綜合指標評價所得到的改良效果綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 不同技術集成模式對土壤EC和pH值的影響

EC和pH值是評價土壤鹽漬化程度的重要指標。結果表明,2013和2014年4個生育時期各技術集成模式下土壤EC值均極顯著低于CK,其中,2013年孕穗期模式E的EC值最低,為0.92 ms·cm-1；4種技術集成模式下土壤EC值之間無顯著性差異(圖1-a、b)。除2014年孕穗期模式C的土壤pH值之外,2個年度各技術集成模式下土壤pH值均極顯著低于CK；2013年出苗期、分蘗期、孕穗期,以及2014年出苗期中模式E的土壤pH值均極顯著低于模式B(圖1-c、d)。

圖1 不同技術集成模式下水稻不同生育時期的土壤EC和pH值的動態變化Fig.1 The dynamic changes of soil EC and pH value at different growth stages in rice under different technology integrated modes

2.2 水稻葉片葉綠素熒光參數與葉綠素含量的相關性分析

由表1可知,除Fo、qP與葉片SPAD和LCC之間無顯著相關性外,其他參數與SPAD和LCC之間均呈極顯著正相關(P＜0.01)；其中,NPQ與LCC之間相關系數最大,為0.771,說明NPQ與鹽堿土條件下水稻葉綠素含量關系密切。研究表明,NPQ升高可啟動葉黃素循環的熱耗散機制[14],減輕鹽脅迫引起的光抑制,增強光化學能的形成,從而有效緩解鹽脅迫對植物光合機構的傷害,實現PSⅡ功能的正常運作。

表1 不同技術集成模式下水稻葉片葉綠素熒光參數與葉綠素含量的相關系數矩陣Table1 Matrix of correlation coefficients between chlorophyll fluorescence parameters and chlorophyllcontent in rice leaves under different technology integrated modes

2.3 不同技術集成模式對葉綠素熒光參數Fo、Fm和Y的影響

隨著技術集成模式的優化,與CK相比,土壤EC和pH值均極顯著降低(圖1),從而對光合系統PSⅡ的破壞程度逐漸降低,PSⅡ的光轉化效率有所提高。2013年,前3個生育時期葉綠素熒光參數Fo除CK外,均表現為先升高后降低的趨勢,且變化幅度表現為模式 E＞C＞D＞B＞CK；孕穗期和灌漿期Fo逐漸趨于穩定,各處理之間差異不顯著(P＞0.05,圖2-a)；2014年,除了 CK表現為先上升后下降的趨勢外,各技術集成模式下,水稻葉片Fo均表現為較平緩的下降趨勢,且各模式之間差異不顯著(P＞0.05,圖2-b)。

2013年和2014年各生育時期4種技術集成模式下水稻葉片的Fm均極顯著高于CK(P＜0.01,圖2-c、d)。2013年模式C和E的水稻葉片Fm均表現為先升高后降低再升高的趨勢；模式B和D的Fm均表現為較平緩的先下降后上升的趨勢；CK則表現為不斷上升的趨勢。2014年除模式D外,各處理的水稻葉片Fm均表現為先升高后趨于平緩再降低的趨勢。

2013年各技術集成模式下水稻葉片Y值大體表現為不斷上升的趨勢,且在孕穗期和灌漿期水稻葉片Y均極顯著高于CK(P＜0.01)；CK則表現為先升高后降低的趨勢(圖2-e)。2014年,各處理的水稻葉片Y值均呈現先升高后降低再升高的趨勢,除出苗期外,CK的Y均極顯著低于4種技術集成模式(P＜0.01,圖2-f)。

2.4 不同技術集成模式對葉綠素熒光參數Fv/m、ETR和NPQ的影響

分別在水稻出苗期、分蘗期、孕穗期和灌漿期對各處理水稻葉片的葉綠素熒光參數Fv/m、ETR和NPQ進行監測。結果表明,除2013年分蘗期和2014年出苗期外,模式D和E的水稻葉片Fv/m均極顯著高于CK,且2013年模式D在孕穗期的水稻葉片Fv/m極顯著高于模式B(圖3-a、b)。2013年各處理水稻葉片Fv/m均表現為先降低再升高的趨勢,2014年各生育時期之間各處理水稻葉片Fv/m變化不大。

除2013年出苗期、孕穗期和2014年出苗期外,模式D和E的水稻葉片ETR均極顯著高于CK,且模式D的水稻葉片ETR分別在2013年分蘗期、灌漿期極顯著高于模式B(圖3-c、d)；模式E則在2013年分蘗期和2014年灌漿期極顯著高于模式B。從各處理水稻葉片ETR在年際間的變化來看,2013年均表現為先升高后趨于平穩,2014年則表現為先升高后降低再升高的趨勢。

圖2 不同技術集成模式下水稻不同生育時期的葉綠素熒光參數Fo、Fm和Y的動態變化Fig.2 The dynamic changes of chlorophyll fluorescence parameters Fo、Fmand Y at different growth stages in rice under different technology integrated modes

模式B和D的水稻葉片NPQ在2013年的出苗期、2014年的灌漿期均極顯著高于CK；模式C的水稻葉片NPQ在2013年的分蘗期、2014年的孕穗期極顯著高于CK；模式E的水稻葉片NPQ在2013年的出苗期、分蘗期均極顯著高于CK(圖3-e)。

2.5 兩年間各處理葉片葉綠素熒光參數qP和葉片葉綠素含量均值差異顯著性分析

分別計算2013和2014年出苗期、分蘗期、孕穗期和灌漿期4個生育時期各處理葉片的qP、SPAD和LCC均值,并進行差異顯著性分析。由表2可知,各處理的水稻葉片qP在各個生育時期均無顯著差異(P＞0.05)；各生育時期,模式D和E的水稻葉片SPAD均顯著高于CK,其中灌漿期模式E的水稻葉片SPAD最高,為42.026。各生育時期,模式E的水稻葉片LCC均顯著高于CK,其中孕穗期模式E的LCC最高,為1.920 mg·g-1。隨著生育時期的推進,各處理的SPAD和LCC大多表現為逐漸升高的趨勢。

2.6 不同生育時期葉綠素熒光動力學曲線

圖3 不同技術集成模式下水稻不同生育時期的葉綠素熒光參數Fv/m、ETR和NPQ的動態變化Fig.3 The dynamic changes of chlorophyll fluorescence parameters Fv/m， ETR and NPQ at different growth stages in rice under different technology integrated modes

根據國際統一命名,熒光誘導動力學曲線可劃分為O(原點)→Ⅰ(偏轉)→D(小坑)→P(高峰)→S(半穩態)→M(次峰)→T(終點)[18-19]。由圖4可知,水稻葉片的各生育時期均出現了以上各特征點,從CK到模式E,各個生育時期的P峰基本表現為逐漸上升趨勢,模式E在分蘗期的P峰值最高,即Fm值,為3 829；與CK相比,各改良模式的P峰出現時間也表現出不同程度地后延,其中CK的P峰出現時間均為最早；從CK到模式E,除分蘗期外,各處理P峰衰減的速率均較快,熒光強度隨著P峰衰減速率的加快,呈現逐漸下降的趨勢。不同技術集成模式在相同生育時期的次峰M出現的時間基本一致,其中分蘗期M峰出現時間整體后延,且從CK到模式E,M峰值逐漸增大；隨著時間的延長,穩態值S逐漸減小,其中,灌漿期的模式E降低速率最大。由此說明,隨著技術集成模式的優化,PSⅡ活性逐漸升高,葉綠素熒光強度逐漸增強,模式E的熒光誘導動力學曲線最佳。

2.7 不同生育時期不同技術集成模式水稻葉綠素熒光參數的主成分分析

2.7.1 主成分分析 在2013和2014年的CK和4種技術集成模式下,分別利用出苗期、分蘗期、孕穗期和灌漿期的葉綠素熒光參數均值對上述10個指標進行主成分分析。結果表明,各生育時期的主成分CI1均能夠提供原參數50%以上的綜合信息,出苗期、分蘗期、孕穗期和灌漿期前2個主成分的累計貢獻率分別為96.285%、93.491%、91.285%和 95.104%(表3),表明各個生育時期的第1和第2主成分對大多數指標作了充分的概括,分別將原有的10個評價指標轉換為2個新的相互獨立的綜合指標,可代表原始指標攜帶的絕大部分信息。其中,出苗期CI1中Fo和Fm的載荷值分別為0.994和0.999,CI2中ETR的載荷值達到0.996,是出苗期主成分中的主要作用因子；分蘗期CI1中SPAD的載荷值為0.966,是分蘗期主成分中的主要作用因子；孕穗期CI1中NPQ和ETR的載荷值均為0.991,是孕穗期主成分中的主要作用因子；灌漿期CI1中Fo和Fm的載荷值分別為0.990和0.994,是灌漿期主成分中的主要作用因子(表4)。

表2 各處理水稻葉片葉綠素熒光參數qP和葉綠素含量2年均值的差異顯著性分析Table2 Analysis of significant difference of two-year mean values of qP and chlorophyll content in rice leaves treated with different treatments

2.7.2 隸屬函數與綜合評價D值 利用綜合指標值(CI1、CI2)和公式(1)分別計算4種技術集成模式的隸屬函數值u(Xj)。對于出苗期的主成分CI1和CI2而言,模式D的u(X1)和u(X2)均達到最大,為1,而CK的u(X1)最小,為0。依據各生育時期各綜合指標貢獻率的大小利用公式(2)分別求出2個綜合指標的權重(表4),利用公式(3),以隸屬函數u(X1)和u(X2)結合權重處理并累加得到綜合評價D值(表5),結果表明,總D值由 CK到模式 E分別為 0.157、2.370、3.011、3.537和3.609,D值均值也表現為相同的遞增趨勢,由此技術集成模式的效果排名為E＞D＞C＞B＞CK。

圖4 不同技術集成模式下水稻不同生育時期葉片葉綠素熒光動力學曲線Fig.4 Chlorophyll fluorescence induction curves of different technology integrated modes at different growth stages in rice

表3 水稻各生育時期綜合指標的特征值及貢獻率Table3 Eigen values and proportion of comprehensive indexes of rice in different growth stages[CIx]

3 討論

3.1 不同技術集成模式對水稻葉片葉綠素含量和熒光參數的影響

葉綠素是植物光合作用捕獲光能的物質基礎,較高的葉綠素含量可以幫助植物在逆境下維持正常的光合作用。諸多研究表明,鹽堿脅迫會顯著降低植物葉片的葉綠素含量[8,10,13-14,20]。本研究中,各技術集成模式下各生育時期水稻葉片的葉綠素含量均有所改善,其中模式D和E的SPAD兩年均值在4個生育時期均顯著高于CK,模式E的LCC兩年均值也顯著高于CK。表明模式D和E可顯著增加水稻葉片的葉綠素含量,減輕鹽堿脅迫對水稻葉綠體膜結構的破壞,減少葉綠素的降解,從而維持較高的葉綠素含量。

表4 水稻各生育時期綜合指標的載荷矩陣和權重Table4 Load matrix and weight comprehensive indexes of rice in different growth stages

表5 水稻各生育時期不同技術集成模式的綜合評價D值Table5 Comprehensive evaluation D value of different technology integrated modes in in different growth stages of rice

葉綠素熒光動力學參數可有效評價植物非生物脅迫的傷害程度[8-10],靈敏地反映逆境對植物光合作用光反應階段的影響,對揭示鹽脅迫下植物光合功能的變化規律具有重要意義。其中,Fm、Fv/m、ETR是反映植物光合機構受逆境脅迫損傷程度的重要指標[20-24]。Mehta等[21]研究發現,隨著鹽脅迫濃度的增加,小麥葉片的Fm和Fv/m均極顯著下降；金微微等[20]在高丹草中的研究也有相似發現。本研究中,各生育時期4種技術集成模式下水稻葉片的Fm均極顯著高于CK；除2013年分蘗期和2014年出苗期外,模式D和E的水稻葉片Fv/m均極顯著高于CK,ETR也表現出相似的結果,表明隨著技術集成模式的優化,可有效保護水稻葉片PSⅡ系統的完整性,維持光系統的生物學功能。

3.2 不同技術集成模式對水稻葉片PSⅡ系統的影響

葉綠體類囊體膜上的PSⅡ系統對逆境脅迫非常敏感,利用葉綠素熒光參數可了解逆境脅迫損傷植物光合機構的不同位點和程度[25-26]。Mehta等[26]研究表明,小麥葉片葉綠體由于高鹽脅迫引起的損害主要發生在PSⅡ的供體側,且隨著鹽脅迫濃度的增加,損害程度逐漸加深。本研究通過分析不同技術集成模式下水稻葉片葉綠素熒光參數發現,與CK相比,模式D和E各生育時期的水稻葉片Fm均極顯著增加,Fo在2013年表現為先上升再下降,2014年則表現為較平緩的下降趨勢,表明在技術集成模式下,水稻葉片具有更強的光能利用能力,隨著改良年限的增加,逐漸緩解了鹽堿脅迫對水稻的光抑制作用,維持PSⅡ供體側向受體側的正常電子傳遞。NPQ反映了PSⅡ反應中心的開放程度,可消耗其吸收的過多光能,對PSⅡ反應中心起到保護作用[27-28]。本研究中,技術集成模式下通過提高鹽脅迫下的NPQ,及時耗散掉過剩的光能,保證了PSⅡ的活性和功能。

3.3 不同技術集成模式對水稻葉綠素熒光動力學曲線的影響

葉綠素熒光誘導動力學曲線能夠提供關于PSⅡ的光化學信息,準確反映光反應中PSⅡ供體側、受體側及PSⅡ反應中心電子氧化還原狀態[10,12,18]。李旭新等[18]研究發現,隨著NaCl脅迫濃度的升高,黃連木葉片的葉綠素熒光曲線上各點數值都有不同程度地下降,P峰呈逐漸下降趨勢,出峰時間變化不大。本研究中,隨著技術集成模式的優化,與CK相比,各生育時期的P峰均呈現上升趨勢,P峰出現時間也表現為不斷后延的趨勢。此外,本研究采用Kinetic模式測定葉綠素熒光誘導動力學曲線,可充分展現PSⅡ的光化學信息,從CK到模式E,M峰值逐漸增大；隨著時間的延長,穩態值S逐漸減小,表明隨著技術集成模式的優化,水稻對環境的適應能力逐漸增強,表現出更好的生理狀態。

3.4 多元統計學分析在不同技術集成模式評價中的應用

在脫硫石膏改良鹽堿地的技術評價方面,研究學者利用土壤理化性狀[3-6]、出苗率[4]、產量[4-5]、品質[15]等指標篩選了最優的改良模式或脫硫石膏的最佳施用量,然而鹽堿土對作物的影響是多方面的,簡單地使用某些單項指標很難全面地評價改良技術的效果。利用多元統計學分析是綜合評價實驗處理優劣的有效途徑。張雪艷等[29]利用主成分分析,將19個單項指標轉換成了3個主成分,利用綜合得分較為全面地篩選了最佳的生物有機肥施用量。劉幫艷等[30]利用主成分綜合評分方法客觀、高效地評價了太子參根部土壤環境。本研究對水稻葉片葉綠素含量、葉綠素熒光參數的10個指標進行主成分分析,在各生育時期均獲得了2個主成分,結合隸屬函數與權重對4種技術集成模式進行綜合評價,利用D值篩選到了最優的技術集成模式E,為脫硫石膏改良鹽堿地技術集成模式的示范與推廣奠定了理論基礎。

4 結論

脫硫石膏改良鹽堿地技術可有效降低土壤EC值和pH值,降低初始熒光產量Fo,增加水稻葉片葉綠素含量,提高Fm、Fv/m、ETR、Y 等葉綠素熒光參數值,維持水稻葉片PSⅡ系統的結構和功能,提高該系統的光合活性。利用主成分分析結合隸屬函數加權重的方法,篩選到最優的鹽堿地改良技術集成模式E,即脫硫石膏22.5 t·hm-2+改良劑 7.5 t·hm-2+有機肥 30.0 t·hm-2+黃沙 30.0 t·hm-2,可用于河套地區堿化鹽土的改良和利用。